맨위로가기

전자 배열

"오늘의AI위키"는 AI 기술로 일관성 있고 체계적인 최신 지식을 제공하는 혁신 플랫폼입니다.
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.
목차

1. 개요

전자 배열은 원자 내 전자의 배치 방식을 설명하는 개념으로, 원자핵 주위의 전자가 채워지는 방식을 양자수, 전자 껍질, 부껍질 등을 통해 나타낸다. 슈뢰딩거 방정식을 통해 전자의 궤도를 얻을 수 있으며, 주 양자수, 방위 양자수, 자기 양자수, 스핀 양자수로 전자의 상태를 규정한다. 아우프바우 원리와 마델룽 규칙은 전자가 채워지는 순서를 예측하며, 주기율표의 형태는 원자 전자 배치와 밀접한 관련이 있다. 전자 배치는 원소의 화학적 성질을 결정하며, 열린 껍질과 닫힌 껍질의 개념은 원자의 안정성을 설명한다. 분자 및 고체 내 전자 배치는 원자보다 복잡하며, 분자 궤도 함수와 띠 이론으로 설명된다.

더 읽어볼만한 페이지

  • 전자 상태 - 띠틈
    띠틈은 반도체와 절연체에서 전자가 존재할 수 없는 에너지 준위 범위로, 물질의 전기적, 광학적 특성을 결정하며 직접 띠틈과 간접 띠틈으로 나뉘고, 띠틈 엔지니어링을 통해 제어 가능하다.
  • 전자 상태 - 원자가 전자
    원자가 전자는 원자의 최외각 전자껍질에 존재하며 화학적 성질을 결정하는 데 중요한 역할을 하고, 주족 원소는 최외각 전자껍질의 전자로 정의되지만 전이 원소는 (n-1)d 궤도의 전자도 포함하며, 주기율표 족에 따라 예측 가능하지만 예외도 존재하고, 화학 결합, 산화 상태, 전기 전도도에 영향을 미친다.
  • 이론화학 - 해밀토니언 (양자역학)
    양자역학에서 해밀토니언은 계의 총 에너지를 나타내는 연산자로서, 고전역학의 해밀토니안에서 유래하며 슈뢰딩거 방정식을 통해 계의 시간적 진화를 결정하고, 그 고유값은 허용된 에너지 준위를 나타낸다.
  • 이론화학 - 계산화학
    계산화학은 컴퓨터를 활용하여 분자 및 물질의 성질을 연구하는 학문으로, 양자화학, 분자역학, 밀도범함수이론 등의 방법론을 통해 다양한 분야에 응용되며 데이터베이스를 통한 정보 공유를 촉진한다.
  • 분자물리학 - 포지트로늄
    포지트로늄은 전자와 양전자가 결합된 가벼운 원자로, 스핀 방향에 따라 파라포지트로늄과 오르토포지트로늄으로 나뉘며 양자전기역학 연구에 중요한 역할을 하지만 자연적으로는 발생하지 않는다.
  • 분자물리학 - 에너지 준위
    에너지 준위는 양자 역학적 계에서 입자가 가질 수 있는 특정 에너지 값으로, 원자 내 전자의 양자화된 에너지 상태를 나타내며 분자에서는 전자, 진동, 회전 에너지 준위가 존재하고, 에너지 준위 간 전이는 광자의 흡수 또는 방출을 수반한다.
전자 배열
일반 정보
영어 명칭electron configuration
정의원자 내에서 전자가 다양한 껍질에 배열되는 방식
예시1s2 2s2 2p6
추가 정보
골드북 참조configuration (electronic)

2. 양자수와 원자 궤도

원자핵에 의한 정전기적 포텐셜 내에서 전자의 거동은 3차원 슈뢰딩거 방정식을 풀어 확인할 수 있다. 특히 수소 원자의 슈뢰딩거 방정식 해는 해석적으로 풀 수 있다. 전자가 가질 수 있는 궤도는 주 양자수, 방위 양자수, 자기 양자수의 3가지로 정의된다.

전자의 배치는 궤도와 대응된다. 전자가 속한 궤도의 종류에 따라 전자도 분류되어 s 전자, p 전자, d 전자, f 전자로 불린다.


  • '''s 전자''' - s 궤도상의 전자. 바닥 상태에서 1s, 2s, 3s, 4s, 5s, 6s, 7s 전자의 존재가 확인되었다.
  • '''p 전자''' - p 궤도상의 전자. 바닥 상태에서 2p, 3p, 4p, 5p, 6p, 7p 전자의 존재가 확인되었다.
  • '''d 전자''' - d 궤도상의 전자. 바닥 상태에서 3d, 4d, 5d, 6d 전자의 존재가 확인되었다.
  • '''f 전자''' - f 궤도상의 전자. 바닥 상태에서 4f, 5f 전자의 존재가 확인되었다.


전자는 페르미온이므로 하나의 궤도에는 서로 반대 방향의 스핀을 가진 2개의 전자만 수용할 수 있다(파울리 배타 원리). 궤도가 2개의 전자에 의해 점유된 상태를 '''전자쌍'''이라고 부른다. p 궤도에는 최대 6개, d 궤도에는 최대 10개, f 궤도에는 최대 14개의 전자가 수용될 수 있다.

주 양자수 (전자 껍질)방위 양자수자기 양자수궤도명수용 가능한 전자 수
1 (K 껍질)001s2
2 (L 껍질)002s2
10, ±12p6
3 (M 껍질)003s2
10, ±13p6
20, ±1, ±23d10
4 (N 껍질)004s2
10, ±14p6
20, ±1, ±24d10
30, ±1, ±2, ±34f14



수소와 같은 1전자계에서는 전자가 갖는 에너지는 주 양자수에 의해서만 결정되지만, 일반적인 원자는 다전자계이며, 전자 간의 반발에 의해 각 궤도의 에너지에 차이가 생긴다. 방위 양자수가 커질수록 궤도는 원자핵에서 멀리 분포하므로, 전자 간 상호 작용의 영향이 커진다. 따라서, 다전자계의 전자 궤도는 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → 4f → …… 의 순서로 에너지가 높아지며, 이 순서로 전자가 배치되어 간다(각 궤도 내에서의 배치에 대해서는 훈트 규칙을 참조). 다만, d 전자의 채움 등에서는 스핀 간 상호 작용도 기여하므로, 이 규칙에 따르지 않는 경우도 있다.

2. 1. 주양자수 (n)

주 양자수 ''n''은 궤도의 크기와 에너지를 결정한다. 1, 2, 3, ...과 같은 정수 값을 가지며, 이는 전자 껍질 K 껍질, L 껍질, M 껍질……에 해당한다.

예를 들어, 주 양자수 2, 방위 양자수 1인 궤도를 통칭하여 2p 오비탈이라고 부른다. 2p 오비탈은 −1, 0, 1의 3가지 자기 양자수를 가질 수 있는데, 이에 대응하여 2px, 2py, 2pz의 서로 다른 배치의 3가지 궤도가 존재한다.

2. 2. 방위 양자수 (l)

방위 양자수 ''l''은 s 오비탈, p 오비탈, d 오비탈, f 오비탈, g 오비탈 등에 해당하며 궤도의 모양을 결정한다. 0, 1, 2, ..., n-1의 정수 값을 갖는다.[1] 예를 들어, 주 양자수가 2이고 방위 양자수가 1인 궤도를 통칭하여 2p 오비탈이라고 부른다. 2p 오비탈은 −1, 0, 1의 3가지 자기 양자수를 가질 수 있는데, 이에 대응하여 2px, 2py, 2pz와 같이 서로 다른 배치의 3가지 궤도가 존재한다.[1]

2. 3. 자기 양자수 (ml)

자기 양자수(m)는 각 궤도의 공간적 방향을 결정한다. 방위 양자수 ''l''에 대해 −''l'', −''l''+1, ..., 0, ..., ''l''−1, ''l''의 정수 값을 갖는다.

예를 들어, 주 양자수 2, 방위 양자수 1인 궤도를 통칭하여 2p 오비탈이라고 부른다. 2p 오비탈은 −1, 0, 1의 3가지 자기 양자수를 가질 수 있는데, 이에 대응하여 2px, 2py, 2pz의 서로 다른 배치의 3가지 궤도가 존재한다.

2. 4. 스핀 양자수 (ms)

전자는 스핀이라고 하는 고유한 각운동량을 가진다. 스핀 양자수는 전자의 스핀 각운동량을 나타내며, +1/2 또는 -1/2 값을 가진다. 파울리 배타 원리에 따라 하나의 궤도에는 최대 두 개의 전자가 서로 반대 스핀을 가지고 채워질 수 있다.[1]

3. 전자 껍질과 부껍질

전자 배치는 보어 모형의 원자에서 처음 구상되었으며, 전자 껍질과 부껍질에 대한 이해는 양자 역학적 전자에 대한 이해가 발전했음에도 여전히 흔히 사용되고 있다.

전자 껍질은 전자가 차지할 수 있는 동일한 주 양자수 ''n''을 공유하는 상태의 집합이다. 전자 배치에서 각 항의 ''n''은 각 오비탈 문자 앞에 오는 자연수이다. (예: 헬륨의 전자 배치는 1s2이므로 ''n'' = 1이고, 오비탈에는 두 개의 전자가 들어 있다.)

부껍질은 껍질 내에서 공통 방위 양자수 ()에 의해 정의된 상태의 집합이다. 값은 0에서 ''n'' − 1 범위에 있다.  = 0, 1, 2, 3의 값은 각각 s, p, d, f로 나타낸다. 예를 들어, 3d 부껍질은 ''n'' = 3이고  = 2이다.

각 껍질과 부껍질을 채울 수 있는 전자의 수는 양자 역학 방정식에서 비롯되며, 특히 동일한 원자 내의 두 전자가 네 개의 양자수에서 동일한 값을 가질 수 없다는 파울리 배타 원리가 적용된다.[2]

수소와 같은 1전자계에서는 전자가 갖는 에너지는 주 양자수 ''n''에 의해서만 결정되지만, 일반적인 원자는 다전자계이며, 전자 간 반발에 의해 각 궤도의 에너지에 차이가 생긴다. 즉, 방위 양자수 ''l''이 커질수록 궤도는 원자핵에서 멀리 분포하므로, 전자 간 상호 작용의 영향이 커진다. 따라서 다전자계의 전자 궤도는 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → 4f → …… 의 순서로 에너지가 높아지며, 이 순서로 전자가 배치된다(각 궤도 내에서의 배치에 대해서는 훈트 규칙 참조). 다만, d 전자의 채움 등에서는 스핀 간 상호 작용도 기여하므로, 이 규칙에 따르지 않는 경우도 있다.

3. 1. 전자 껍질의 용량

전자 껍질은 전자가 차지할 수 있는 동일한 주 양자수 ''n''을 공유하는 집합 허용 상태이다. 원자의 ''n''번째 전자 껍질은 2''n''2개의 전자를 수용할 수 있다. 예를 들어, 첫 번째 껍질은 2개의 전자를, 두 번째 껍질은 8개의 전자를, 세 번째 껍질은 18개의 전자를 수용할 수 있으며, 그 외에도 계속된다. 두 배의 요인은 스핀 양자수로 인해 각 연속적인 껍질마다 허용된 상태의 수가 두 배로 증가하기 때문에 발생한다. 각 원자 오비탈은 반대 스핀을 가진 최대 두 개의 동일한 전자를 허용하며, 하나는 + (일반적으로 위쪽 화살표로 표시) 스핀을 갖고 다른 하나는 -} (아래쪽 화살표로 표시) 스핀을 갖는다.[2]

3. 2. 부껍질의 종류와 전자 수용량

부껍질은 껍질 내에서 공통 방위 양자수()에 의해 정의된 상태의 집합이다. 값은 0에서 ''n'' - 1 범위에 있다. = 0, 1, 2, 3 값은 각각 s, p, d, f로 나타낸다. 예를 들어 3d 부껍질은 ''n'' = 3, = 2이다. 부껍질에 배치할 수 있는 최대 전자 수는 2(2 + 1)로, s 부껍질에 2개, p 부껍질에 6개, d 부껍질에 10개, f 부껍질에 14개의 전자를 배치할 수 있다.[2]

전자의 배치는 궤도와 대응된다. 전자가 속한 궤도의 종류에 따라 전자도 다음과 같이 분류한다.

  • s 전자 - s 궤도상의 전자. 바닥 상태에서 1s, 2s, 3s, 4s, 5s, 6s, 7s 전자가 확인되었다.
  • p 전자 - p 궤도상의 전자. 바닥 상태에서 2p, 3p, 4p, 5p, 6p, 7p 전자가 확인되었다.
  • d 전자 - d 궤도상의 전자. 바닥 상태에서 3d, 4d, 5d, 6d 전자가 확인되었다.
  • f 전자 - f 궤도상의 전자. 바닥 상태에서 4f, 5f 전자가 확인되었다.


전자는 페르미온이므로 하나의 궤도에는 서로 반대 방향의 스핀을 가진 2개의 전자만 수용될 수 있다(파울리 배타 원리). 궤도가 2개의 전자에 의해 점유된 상태를 '''전자쌍'''이라고 부른다.

p 궤도에는 최대 6개, d 궤도에는 최대 10개, f 궤도에는 최대 14개의 전자가 수용될 수 있다.

주 양자수 (전자 껍질)방위 양자수자기 양자수궤도명수용 가능한 전자 수
1 (K 껍질)001s2
2 (L 껍질)002s2
10, ±12p6
3 (M 껍질)003s2
10, ±13p6
20, ±1, ±23d10
4 (N 껍질)004s2
10, ±14p6
20, ±1, ±24d10
30, ±1, ±2, ±34f14


4. 전자 배치의 표기법

원자 오비탈도 참고

물리학자와 화학자들은 원자와 분자의 전자 배치를 나타내기 위해 표준 표기법을 사용한다. 원자의 경우, 부껍질 레이블(예: 인의 경우 1s, 2s, 2p, 3s, 3p)의 순서로 구성되며, 각 부껍질에 할당된 전자의 수는 위첨자로 표시된다. 예를 들어, 수소는 1s1, 리튬은 1s2 2s1("원-에스-투, 투-에스-원"이라고 발음), 인(원자 번호 15)은 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3으로 표기한다.

전자가 많은 원자의 경우, 표기법이 길어질 수 있으므로, 이전 주기의 비활성 기체에 해당하는 내각 전자를 이용한 약식 표기법을 사용한다. 예를 들어, 인은 [Ne] 3s2 3p3으로 쓸 수 있다.

주어진 전자 배치에서 오비탈을 쓰는 순서는 Madelung 규칙에 따른 방법과, 같은 ''n'' 값으로 묶는 "분광학적" 순서 두가지로 표기할 수 있다. 단일 점유 부껍질의 위첨자 1은 필수가 아니며, 빈 부껍질은 생략 가능하다. 오비탈 레이블 문자(s, p, d, f)는 국제 순수·응용 화학 연합(IUPAC)에서 일반 활자를 권장한다.[4][5]

분자의 전자 배치는 원자 오비탈 레이블 대신 분자 오비탈 레이블이 사용된다는 점을 제외하면 비슷한 방식으로 쓰인다.

4. 1. 원자의 전자 배치 표기

물리학자와 화학자들은 원자의 전자 배치를 나타내기 위해 표준 표기법을 사용한다. 이 표기법은 원자 부껍질 레이블(예: 인의 경우 1s, 2s, 2p, 3s, 3p)의 순서로 구성되며, 각 부껍질에 할당된 전자의 수는 위첨자로 표시된다. 예를 들어, 수소는 1s1, 리튬은 1s2 2s1("원-에스-투, 투-에스-원"이라고 발음), 인(원자 번호 15)은 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3으로 표기한다.

전자가 많은 원자의 경우, 이 표기법이 길어질 수 있으므로, 이전 주기의 비활성 기체에 해당하는 내각 전자를 이용한 약식 표기법을 사용한다. 예를 들어, 인은 3주기에 속하며, 2주기의 네온과 세 번째 껍질의 유무만 다르다. 따라서 인의 전자 배치는 [Ne] 3s2 3p3으로 쓸 수 있다.

주어진 전자 배치에서 오비탈을 쓰는 순서는 완전히 고정되지 않았지만, 일반적으로 Madelung 규칙에 따라 중성 원자의 경우 4s가 3d보다 먼저 채워지는 순서(Ar, K, Ca, Sc, Ti)로 표기하거나, 모든 오비탈을 같은 ''n'' 값으로 묶어 Ti4+, Ti3+, Ti2+, Ti+, Ti 순서에서 3d가 4s보다 먼저 채워지는 "분광학적" 순서로 표기할 수 있다.

단일 점유 부껍질의 위첨자 1은 필수 사항이 아니며, 빈 부껍질은 위첨자 0으로 표시하거나 생략할 수 있다. 예를 들어, 알루미늄은 [Ne] 3s2 3p1 또는 [Ne] 3s2 3p로, 중성 팔라듐은 [Kr] 4d10 5s0 또는 [Kr] 4d10으로, 란타넘(III) 이온은 [Xe] 4f0 또는 [Xe]로 쓸 수 있다.[3]

오비탈 레이블 문자(s, p, d, f)는 국제 순수·응용 화학 연합 (IUPAC)에서 일반 활자를 권장한다. 이 문자들은 미세 구조에 따라 스펙트럼선을 분류하는 "'''s'''harp", "'''p'''rincipal", "'''d'''iffuse", "'''f'''undamental"에서 유래되었다. 현대에는 각각 0, 1, 2, 3의 방위 양자수를 가진 오비탈을 나타낸다. f 다음에는 g, h, i... 순서로 이어지지만, 이러한 오비탈은 거의 필요하지 않다.[4][5]

전자는 s 궤도상의 s 전자, p 궤도상의 p 전자, d 궤도상의 d 전자, f 궤도상의 f 전자로 분류된다. 페르미온인 전자는 파울리 배타 원리에 따라 하나의 궤도에 서로 반대 방향의 스핀을 가진 2개의 전자만 수용될 수 있으며, 이를 '''전자쌍'''이라 한다.

p 궤도에는 최대 6개, d 궤도에는 최대 10개, f 궤도에는 최대 14개의 전자가 수용될 수 있다.

주 양자수 (전자 껍질)방위 양자수자기 양자수궤도명수용 가능한 전자 수
1 (K 껍질)001s2
2 (L 껍질)002s2
10, ±12p6
3 (M 껍질)003s2
10, ±13p6
20, ±1, ±23d10
4 (N 껍질)004s2
10, ±14p6
20, ±1, ±24d10
30, ±1, ±2, ±34f14



다전자계에서는 전자 간 반발로 인해 각 궤도의 에너지에 차이가 생기며, 방위 양자수가 커질수록 궤도는 원자핵에서 멀리 분포하여 전자 간 상호 작용의 영향이 커진다. 따라서 전자 궤도는 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → 4f → …… 순서로 에너지가 높아지며, 이 순서로 전자가 배치된다. (단, d 전자의 채움 등에서는 스핀 간 상호 작용도 영향을 주어 이 규칙을 따르지 않는 경우도 있다. 각 궤도 내에서의 배치에 대해서는 훈트 규칙 참조)

{| class="wikitable" style="text-align:right"

|+ 바닥 상태 전자 배치표 (제1 - 제7 주기)

|-

! 족 !! 원소
기호 !! 원자
번호

! style="background:#ff6666" | K

! style="background:#66ff66" colspan="2" | L

! style="background:#6666ff" colspan="3" | M

! style="background:#cccc99" colspan="4" | N

! style="background:#cccc99" colspan="4" | O

! style="background:#6666ff" colspan="3" | P

! style="background:#66ff66" colspan="2" | Q

|- style="text-align:right"

| style="text-align:center" colspan="3" | 최대 전자 수

| style="background:#ff9999" | 2

| style="background:#ff9999" | 2

| style="background:#99ff99" | 6

| style="background:#ff9999" | 2

| style="background:#99ff99" | 6

| style="background:#9999ff" | 10

| style="background:#ff9999" | 2

| style="background:#99ff99" | 6

| style="background:#9999ff" | 10

| style="background:#ffff99" | 14

| style="background:#ff9999" | 2

| style="background:#99ff99" | 6

| style="background:#9999ff" | 10

| style="background:#ffff99" | 14

| style="background:#ff9999" | 2

| style="background:#99ff99" | 6

| style="background:#9999ff" | 10

| style="background:#ff9999" | 2

| style="background:#99ff99" | 6

|- style="background:#d3d3d3 !important"

! colspan="3" | 제1 주기 !! style="background:#ff9999" | 1s !! 2s !! 2p !! 3s !! 3p !! 3d !! 4s !! 4p !! 4d !! 4f !! 5s !! 5p !! 5d !! 5f !! 6s !! 6p !! 6d !! 7s !! 7p

|-

| 1 || style="text-align:left" | H || 1 || style="background:#ffcccc" | 1 || colspan="19" |

|-

| 18 || style="text-align:left" | He || 2 || 2|| colspan="19" |

|- style="background:#d3d3d3"

! colspan="3" | 제2 주기 !! 1s !! style="background:#ff9999" | 2s !! style="background:#99ff99" | 2p !! 3s !! 3p !! 3d !! 4s !! 4p !! 4d !! 4f !! 5s !! 5p !! 5d !! 5f !! 6s !! 6p !! 6d !! 7s !! 7p

|-

| 1 || style="text-align:left" | Li || 3 || 2 || style="background:#ffcccc" | 1 || colspan="18" |

|-

| 2 || style="text-align:left" | Be || 4 || 2 || 2 || colspan="17" |

|-

| 13 || style="text-align:left" | B || 5 || 2 || 2 || style="background:#ccffcc" | 1|| colspan="16" |

|-

| 14 || style="text-align:left" | C || 6 || 2 || 2 || style="background:#ccffcc" | 2|| colspan="15" |

|-

| 15 || style="text-align:left" | N || 7 || 2 || 2 || style="background:#ccffcc" | 3|| colspan="14" |

|-

| 16 || style="text-align:left" | O || 8 || 2 || 2 || style="background:#ccffcc" | 4|| colspan="13" |

|-

| 17 || style="text-align:left" | F || 9 || 2 || 2 || style="background:#ccffcc" | 5|| colspan="12" |

|-

| 18 || style="text-align:left" | Ne || 10 || 2 || 2 || 6|| colspan="11" |

|- style="background:#d3d3d3"

! colspan="3" | 제3 주기 !! 1s !! 2s !! 2p !! style="background:#ff9999" | 3s !! style="background:#99ff99" | 3p !! 3d !! 4s !! 4p !! 4d !! 4f !! 5s !! 5p !! 5d !! 5f !! 6s !! 6p !! 6d !! 7s !! 7p

|-

| 1 || style="text-align:left" | Na || 11 || style="text-align:center" colspan="3" | 10
네온 핵 || style="background:#ffcccc" | 1 || colspan="15" |

|-

| 2 || style="text-align:left" | Mg || 12 || 2 || colspan="14" |

|-

| 13 || style="text-align:left" | Al || 13 || 2 || style="background:#ccffcc" | 1|| colspan="13" |

|-

| 14 || style="text-align:left" | Si || 14 || 2 || style="background:#ccffcc" | 2|| colspan="12" |

|-

| 15 || style="text-align:left" | P || 15 || 2 || style="background:#ccffcc" | 3|| colspan="11" |

|-

| 16 || style="text-align:left" | S || 16 || 2 || style="background:#ccffcc" | 4|| colspan="10" |

|-

| 17 || style="text-align:left" | Cl || 17 || 2 || style="background:#ccffcc" | 5|| colspan="9" |

|-

| 18 || style="text-align:left" | Ar || 18 || 2 || 6|| colspan="8" |

|- style="background:#d3d3d3"

! colspan="3" | 제4 주기 !! 1s !! 2s !! 2p !! 3s !! 3p !! style="background:#9999ff" | 3d !! style="background:#ff9999" | 4s !! style="background:#99ff99" | 4p !! 4d !! 4f !! 5s !! 5p !! 5d !! 5f !! 6s !! 6p !! 6d !! 7s !! 7p

|-

| 1 || style="text-align:left" | K || 19 || style="text-align:center" colspan="5" | 18
아르곤 핵 || || style="background:#ffcccc" | 1 || colspan="11" |

|-

| 2 || style="text-align:left" | Ca || 20 || || 2 || colspan="10" |

|-

| 3 || style="text-align:left" | Sc || 21 || style="background:#ccccff" | 1 || 2 || colspan="9" |

|-

| 4 || style="text-align:left" | Ti || 22 || style="background:#ccccff" | 2 || 2 || colspan="8" |

|-

| 5 || style="text-align:left" | V || 23 || style="background:#ccccff" | 3 || 2 || colspan="7" |

|-

| 6 || style="text-align:left" | Cr || 24 || style="background:#ccccff" | 5 || style="background:#ffcccc" | 1 || colspan="6" |

|-

| 7 || style="text-align:left" | Mn || 25 || style="background:#ccccff" | 5 || 2 || colspan="5" |

|-

| 8 || style="text-align:left" | Fe || 26 || style="background:#ccccff" | 6 || 2 || colspan="4" |

|-

| 9 || style="text-align:left" | Co || 27 || style="background:#ccccff" | 7 || 2 || colspan="3" |

|-

| 10 || style="text-align:left" | Ni || 28 || style="background:#ccccff" | 8 || 2 || colspan="2" |

|-

| 11 || style="text-align:left" | Cu || 29 || 10 || style="background:#ffcccc" | 1 ||

|-

| 12 || style="text-align:left" | Zn || 30 || 10 || 2 ||

|-

| 13 || style="text-align:left" | Ga || 31 || 10 || 2 || style="background:#ccffcc" | 1

|-

| 14 || style="text-align:left" | Ge || 32 || 10 || 2 || style="background:#ccffcc" | 2

|-

| 15 || style="text-align:left" | As || 33 || 10 || 2 || style="background:#ccffcc" | 3

|-

| 16 || style="text-align:left" | Se || 34 || 10 || 2 || style="background:#ccffcc" | 4

|-

| 17 || style="text-align:left" | Br || 35 || 10 || 2 || style="background:#ccffcc" | 5

|-

| 18 || style="text-align:left" | Kr || 36 || 10 || 2 || 6

|- style="background:#d3d3d3"

! colspan="3" | 제5 주기 !! 1s !! 2s !! 2p !! 3s !! 3p !! 3d !! 4s !! 4p !! style="background:#9999ff" | 4d !! 4f !! style="background:#ff9999" | 5s !! style="background:#99ff99" | 5p !! 5d !! 5f !! 6s !! 6p !! 6d !! 7s !! 7p

|-

| 1 || style="text-align:left" | Rb || 37 || style="text-align:center" colspan="8" | 36
크립톤 핵 || || | || style="background:#ffcccc" | 1 || colspan="7" |

|-

| 2 || style="text-align:left" | Sr || 38 || || 2 || colspan="6" |

|-

| 3 || style="text-align:left" | Y || 39 || style="background:#ccccff" | 1 || 2 || colspan="5" |

|-

| 4 || style="text-align:left" | Zr || 40 || style="background:#ccccff" | 2 || 2 || colspan="4" |

|-

| 5 || style="text-align:left" | Nb || 41 || style="background:#ccccff" | 4 || style="background:#ffcccc" | 1 || colspan="3" |

|-

| 6 || style="text-align:left" | Mo || 42 || style="background:#ccccff" | 5 || style="background:#ffcccc" | 1 || colspan="2" |

|-

| 7 || style="text-align:left" | Tc || 43 || style="background:#ccccff" | 5 || 2 ||

|-

| 8 || style="text-align:left" | Ru || 44 || style="background:#ccccff" | 7 || style="background:#ffcccc" | 1 ||

|-

| 9 || style="text-align:left" | Rh || 45 || style="background:#ccccff" | 8 || style="background:#ffcccc" | 1 ||

|-

| 10 || style="text-align:left" | Pd || 46 || 10 || ||

|-

| 11 || style="text-align:left" | Ag || 47 || 10 || style="background:#ffcccc" | 1 ||

|-

| 12 || style="text-align:left" | Cd || 48 || 10 || 2 ||

|-

| 13 || style="text-align:left" | In || 49 || 10 || 2 || style="background:#ccffcc" | 1

|-

| 14 || style="text-align:left" | Sn || 50 || 10 || 2 || style="background:#ccffcc" | 2

|-

| 15 || style="text-align:left" | Sb || 51 || 10 || 2 || style="background:#ccffcc" | 3

|-

| 16 || style="text-align:left" | Te || 52 || 10 || 2 || style="background:#ccffcc" | 4

|-

| 17 || style="text-align:left" | I || 53 || 10 || 2 || style="background:#ccffcc" | 5

|-

| 18 || style="text-align:left" | Xe || 54 || 10 || 2 || 6

|- style="background:#d3d3d3"

! colspan="3" | 제6 주기 !! 1s !! 2s !! 2p !! 3s !! 3p !! 3d !! 4s !! 4p !! 4d !! style="background:#ffff99" | 4f !! 5s !! 5p !! style="background:#9999ff" | 5d !! 5f !! style="background:#ff9999" | 6s !! style="background:#99ff99" | 6p !! 6d !! 7s !! 7p

|-

| 1 || style="text-align:left" | Cs || 55 || style="text-align:center" colspan="12" | 54
제논 핵 || || | || style="background:#ffcccc" | 1 || colspan="3" |

|-

| 2 || style="text-align:left" | Ba || 56 || || 2 || colspan="2" |

|-

| 3 || style="text-align:left" | La || 57 || style="background:#ccccff" | 1 || 2 ||

|-

| 3 || style="text-align:left" | Ce || 58 || style="text-align:center" colspan="9" | 46
1s … 4d || style="background:#ffffcc" | 1 || 2 || 6 || style="background:#ccccff" | 1 || 2 ||

|-

| 3 || style="text-align:left" | Pr || 59 || style="background:#ffffcc" | 3 || 2 || 6 || || 2 ||

|-

| 3 || style="text-align:left" | Nd || 60 || style="background:#ffffcc" | 4 || 2 || 6 || || 2 ||

|-

| 3 || style="text-align:left" | Pm || 61 || style="background:#ffffcc" | 5 || 2 || 6 || || 2 ||

|-

| 3 || style="text-align:left" | Sm || 62 || style="background:#ffffcc" | 6 || 2 || 6 || || 2 ||

|-

| 3 || style="text-align:left" | Eu || 63 || style="background:#ffffcc" | 7 || 2 || 6 || || 2 ||

|-

| 3 || style="text-align:left" | Gd || 64 || style="background:#ffffcc" | 7 || 2 || 6 || style="background:#ccccff" | 1 || 2 ||

|-

| 3 || style="text-align:left" | Tb || 65 || style="background:#ffffcc" | 9 || 2 || 6 || || 2 ||

|-

| 3 || style="text-align:left" | Dy || 66 || style="background:#ffffcc" | 10 || 2 || 6 || || 2 ||

|-

| 3 || style="text-align:left" | Ho || 67 || style="background:#ffffcc" | 11 || 2 || 6 || || 2 ||

|-

| 3 || style="text-align:left" | Er || 68 || style="background:#ffffcc" | 12 || 2 || 6 || || 2 ||

|-

| 3 || style="text-align:left" | Tm || 69 || style="background:#ffffcc" | 13 || 2 || 6 || || 2 ||

|-

| 3 || style="text-align:left" | Yb || 70 || 14 || 2 || 6 || || 2 ||

|-

| 3 || style="text-align:left" | Lu || 71 || style="text-align:center" colspan="12" | 68
1s … 5p || style="background:#ccccff" | 1 || 2 ||

|-

| 4 || style="text-align:left" | Hf || 72 || style="background:#ccccff" | 2 || 2 ||

|-

| 5 || style="text-align:left" | Ta || 73 || style="background:#ccccff" | 3 || 2 ||

|-

| 6 || style="text-align:left" | W || 74 || style="background:#ccccff" | 4 || 2 ||

|-

| 7 || style="text-align:left" | Re || 75 || style="background:#ccccff" | 5 || 2 ||

|-

| 8 || style="text-align:left" | Os || 76 || style="background:#ccccff" | 6 || 2 ||

|-

| 9 || style="text-align:left" | Ir || 77 || style="background:#ccccff" | 7 || 2 ||

|-

| 10 || style="text-align:left" | Pt || 78 || style="background:#ccccff" | 9 || style="background:#ffcccc" | 1 ||

|-

| 11 || style="text-align:left" | Au || 79 || 10 || style="background:#ffcccc" | 1 ||

|-

| 12 || style="text-align:left" | Hg || 80 || style="text-align:center" colspan="13" | 78
1s … 5d || 2 ||

|-

| 13 || style="text-align:left" | Tl || 81 || 2 || style="background:#ccffcc" | 1

|-

| 14 || style="text-align:left" | Pb || 82 || 2 || style="background:#ccffcc" | 2

|-

| 15 || style="text-align:left" | Bi || 83 || 2 || style="background:#ccffcc" | 3

|-

| 16 || style="text-align:left" | Po || 84 || 2 || style="background:#ccffcc" | 4

|-

| 17 || style="text-align:left" | At || 85 || 2 || style="background:#ccffcc" | 5

|-

| 18 || style="text-align:left" | Rn || 86 || 2 || 6

|- style="background:#d3d3d3"

! colspan="3" | 제7 주기 !! 1s !! 2s !! 2p !! 3s !! 3p !! 3d !! 4s !! 4p !! 4d !! 4f !! 5s !! 5p !! 5d !! style="background:#ffff99" | 5f !! 6s !! 6p !! style="background:#9999ff" | 6d !! style="background:#ff9999" | 7s !! style="background:#99ff99" | 7p

|-

| 1 || style="text-align:left" | Fr || 87 || style="text-align:center" colspan="13" | 78
1s … 5d || || 2 || 6 || || style="background:#ffcccc" | 1 ||

|-

| 2 || style="text-align:left" | Ra || 88 || || 2 || 6 || || 2 ||

|-

| 3 || style="text-align:left" | Ac || 89 || || 2 || 6 || style="background:#ccccff" | 1 || 2 ||

|-

| 3 || style="text-align:left" | Th || 90 || || 2 || 6 || style="background:#ccccff" | 2 || 2 ||

|-

| 3 || style="text-align:left" | Pa || 91 || style="background:#ffffcc" | 2 || 2 || 6 || style="background:#ccccff" | 1 || 2 ||

|-

| 3 || style="text-align:left" | U || 92 || style="background:#ffffcc" | 3 || 2 || 6 || style="background:#ccccff" | 1 || 2 ||

|-

| 3 || style="text-align:left" | Np || 93 || style="background:#ffffcc" | 4 || 2 || 6 || style="background:#ccccff" | 1 || 2 ||

|-

| 3 || style="text-align:left" | Pu || 94 || style="background:#ffffcc" | 6 || 2 || 6 || || 2 ||

|-

| 3 || style="text-align:left" | Am || 95 || style="background:#ffffcc" | 7 || 2 || 6 || || 2 ||

|-

| 3 || style="text-align:left" | Cm || 96 || style="background:#ffffcc" | 7 || 2 || 6 || style="background:#ccccff" | 1 || 2 ||

|-

| 3 || style="text-align:left" | Bk || 97 || style="background:#ffffcc" | 9 || 2 || 6 || || 2 ||

|-

| 3 || style="text-align:left" | Cf || 98 || style="background:#ffffcc" | 10 || 2 || 6 || || 2 ||

|-

| 3 || style="text-align:left" | Es || 99 || style="background:#ffffcc" | 11 || 2 || 6 || || 2 ||

|-

| 3 || style="text-align:left" | Fm || 100 || style="background:#ffffcc" | 12 || 2 || 6 || || 2 ||

|-

| 3 || style="text-align:left" | Md || 101 || style="background:#ffffcc" | 13 || 2 || 6 || || 2 ||

|-

| 3 || style="text-align:left" | No || 102 || 14 || 2 || 6 || || 2 ||

|-

| 3 || style="text-align:left" | Lr || 103 || 14 || 2 || 6 || || 2 ||style="background:#ccffcc" | 1

|-

| 4 || style="text-align:left" | Rf (추정) || 104 || 14 || 2 || 6 || style="background:#ccccff" | 2 || 2 ||

|-

| 5 || style="text-align:left" | Db (추정) || 105 || 14 || 2 || 6 || style="background:#ccccff" | 3 || 2 ||

|-

| 6 || style="text-align:left" | Sg (추정) || 106 || 14 || 2 || 6 || style="background:#ccccff" | 4 || 2 ||

|-

| 7 || style="text-align:left" | Bh (계산값) || 107 || 14 || 2 || 6 || style="background:#ccccff" | 5 || 2 ||

|-

| 8 || style="text-align:left" | Hs (추정) || 108 || 14 || 2 || 6 || style="background:#ccccff" | 6 || 2 ||

|-

| 9 || style="text-align:left" | Mt || 109 || 14 || 2 || 6 || style="background:#ccccff" | 7 || 2 ||

|-

| 10 || style="text-align:left" | Ds || 110 || 14 || 2 || 6 || style="background:#ccccff" | 9 || style="background:#ffcccc" | 1 ||

|-

| 11 || style="text-align:left" | Rg || 111 || 14 || 2 || 6 || style="background:#ccccff" | 9 || 2 ||

|-

| 12 || style="text-align:left" | Cn || 112 || 14 || 2 || 6 || 10 || 2 ||

|-

| 13 || style="text-align:left" | (Nh) || 113 || 14 || 2 || 6 || 10 || 2 || style="background:#ccffcc" | 1

|-

| 14 || style="text-align:left" | (Fl) (추정) || 114 || 14 || 2 || 6 || 10 || 2 || style="background:#ccffcc" | 2

|-

| 15 || style="text-align:left" | (Mc) (추정) || 115 || 14 || 2 || 6 || 10 || 2 || style="background:#ccffcc" | 3

|-

| 16 || style="text-align:left" | (Lv) (추정) || 116 || 14 || 2 || 6 || 10 || 2 || style="background:#ccffcc" | 4

|-

| 17 || style="text-align:left" | (Ts) (계산값) || 117 || 14 || 2 || 6 || 10 || 2 || style="background:#ccffcc" | 5

|-

| 18 || style="text-align:left" | (

4. 2. 축약 표기법

전자가 많은 원자의 경우, 전자 배치 표기법이 길어질 수 있으므로 축약 표기법을 사용한다. 전자 배치는 앞 주기의 비활성 기체에 해당하는 내각 전자와 원자가 전자로 나타낼 수 있다. 주기 내의 각 원소는 마지막 몇 개의 부껍질만 다르기 때문이다. 예를 들어, 인은 3주기에 있으며, 2주기의 네온과 세 번째 껍질의 존재 여부만 다르다. 따라서 네온과 동일한 배치의 부분은 [Ne]로 줄여서 인의 배치를 [Ne] 3s2 3p3으로 쓸 수 있다.[3] 이 방법은 가장 바깥쪽 껍질의 전자가 원소의 화학적 특성을 가장 잘 결정하기 때문에 유용하다.

주어진 배치의 경우, 오비탈을 쓰는 순서는 완전히 고정되지 않는다. 예를 들어, 티타늄 바닥 상태의 전자 배치는 [Ar] 4s2 3d2 또는 [Ar] 3d2 4s2로 쓸 수 있다. 전자는 Madelung 규칙에 따라 채워지지만, 양이온을 형성하기 위해 전자가 제거되는 순서는 이와 반대이다.[3]

단일 점유 부껍질의 위첨자 1은 필수 사항이 아니다. 예를 들어 알루미늄은 [Ne] 3s2 3p1 또는 [Ne] 3s2 3p로 쓸 수 있다. 비어있는 부껍질은 위첨자 0으로 표시하거나 생략할 수 있다. 예를 들어, 중성 팔라듐은 [Kr] 4d10 5s0 또는 [Kr] 4d10으로, 란타넘(III) 이온은 [Xe] 4f0 또는 [Xe]로 쓸 수 있다.[3]

4. 3. 궤도 표기 순서

오비탈을 쓰는 순서는 완전히 고정되지 않으며, 오비탈 점유율만 물리적 의미를 갖는다. 예를 들어, 티타늄 바닥 상태의 전자 배치는 [Ar] 4s2 3d2 또는 [Ar] 3d2 4s2로 쓸 수 있다.[3] 전자의 표기법은 중성 원자의 경우 마델룽 규칙에 따라 4s가 3d보다 먼저 채워진다. (Ar, K, Ca, Sc, Ti 순서) 후자의 표기법은 같은 ''n'' 값을 가진 모든 오비탈을 함께 묶는데, 이는 양이온을 형성하기 위해 주어진 원자에서 전자가 제거되는 순서와 반대인 오비탈 에너지의 "분광학적" 순서에 해당한다. 즉, Ti4+, Ti3+, Ti2+, Ti+, Ti 순서에서 3d가 4s보다 먼저 채워진다.[3]

5. 전자 배치의 역사

닐스 보어는 1923년에 원소의 특성에 나타나는 주기성이 원자의 전자 구조로 설명될 수 있다는 어빙 랭뮤어의 모델을 통합했다.[7] 그의 제안은 당시의 보어 모형에 기반을 두었으며, 이 모형에서 전자 껍질은 핵으로부터 고정된 거리에 있는 궤도였다. 보어의 원래 배치는 현재의 화학자들에게는 이상하게 보일 것이다. 황은 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4 (2.8.6) 대신 2.4.4.6으로 표시되었다. 보어는 알프레드 베르너의 1893년 논문을 따라 4와 6을 사용했다. 실제로 화학자들은 물리학자들보다 훨씬 먼저 원자의 개념을 받아들였다. 랭뮤어는 위에 언급된 그의 논문을 다음과 같이 시작했다.

…원자 구조 문제는 주로 원자 구조 이론으로 궁극적으로 설명해야 할 화학적 특성을 거의 고려하지 않은 물리학자들에 의해 공격받아 왔다. 주기율표로 요약되는 방대한 화학적 특성 및 관계에 대한 지식은 순수한 물리적 측면에서 비교적 빈약한 실험 데이터보다 원자 구조 이론의 더 나은 기반이 되어야 한다... 이 전자들은 일련의 동심원 껍질로 배열되며, 첫 번째 껍질에는 두 개의 전자가 포함되어 있고, 다른 모든 껍질은 8개의 전자를 가지는 경향이 있다.…영어

원자 내의 원자가 전자는 1904년 리처드 아베그에 의해 설명되었다.[8]

어빙 랭뮤어는 1919년 논문 "원자와 분자 내 전자의 배열"에서 처음으로 이를 제안했으며, 이는 길버트 N. 루이스의 입방 원자 이론과 발터 코셀의 화학 결합 이론을 바탕으로 그의 "원자 구조의 동심원 이론"을 개략적으로 설명했다.[6] 랭뮤어는 주기율표의 역사와 옥텟 규칙의 발전에서 보듯이 다른 화학자들의 연구를 바탕으로 전자의 원자 구조에 대한 연구를 발전시켰다.

1924년, E. C. 스토너는 조머펠트의 세 번째 양자수를 전자 껍질 설명에 통합하여 황의 껍질 구조가 2.8.6임을 정확하게 예측했다.[9] 그러나 보어의 시스템과 스토너의 시스템 모두 원자 스펙트럼이 자기장에서 변화하는 것을 정확하게 설명할 수 없었다(제만 효과).

보어는 이러한 단점(그리고 다른 단점들)을 잘 알고 있었고, 1923년 그의 친구 볼프강 파울리에게 양자 이론(현재 "구 양자론"으로 알려진 시스템)을 구하는 데 도움을 요청하는 편지를 썼다. 파울리는 제만 효과가 원자의 가장 바깥쪽(즉, 원자가) 전자의 반응에만 의존한다는 것을 성공적으로 가설 설정했다. 파울리는 네 번째 양자수와 그의 배타 원리를 포함시켜 스토너의 껍질 구조를 재현할 수 있었지만, 부껍질의 정확한 구조를 얻었다(1925).[10]

1926년에 발표된 슈뢰딩거 방정식은 수소 원자에 대한 해의 직접적인 결과로 네 개의 양자수 중 세 개를 제공했다. 이 해는 오늘날 화학 교과서에 나타나는 원자 오비탈을 생성한다. 원자 스펙트럼을 검사하여 원자의 전자 배치를 실험적으로 결정할 수 있었고, 원자 오비탈이 전자로 채워지는 순서에 대한 경험적 규칙(1936년에 알려진 마델룽 규칙, [11] 아래 참조)을 이끌어냈다.

6. 아우프바우 원리와 마델룽 규칙

아우프바우 원리(독일어: ''Aufbau'', "건설, 구성"에서 유래)는 닐스 보어의 원래 전자 배치 개념의 중요한 부분이었다. 아우프바우 원리는 최대 두 개의 전자가 궤도함수에 들어가며, 궤도 에너지의 증가 순서대로 채워진다는 내용을 담고 있다.[12] 즉, 에너지가 가장 낮은 부껍질이 먼저 채워진 후, 더 높은 에너지 궤도함수에 전자가 배치된다.

1s에서 7p까지 화살표를 따라가는 원자 궤도함수의 채움 순서의 근사치. (7p 이후의 순서에는 다이어그램 범위를 벗어나는 부껍질, 즉 8s부터 시작하는 부껍질이 포함된다.)


아우프바우 원리는 알려진 118개의 원소에 대해 (원자 바닥 상태에 대해) 매우 잘 작동하며, 때로는 약간의 오류가 있기도 하다. 아우프바우 원리의 현대적인 형태는 마델룽 규칙(또는 클레치코프스키 규칙)에 의해 주어진 특정 궤도 에너지의 순서를 설명한다. 이 규칙은 1929년 Charles Janet에 의해 처음 언급되었고, 1936년 Erwin Madelung에 의해 재발견되었으며,[11] 이후 V. M. Klechkowski에 의해 이론적 근거가 제공되었다.[13]

마델룽 규칙에 따르면,

# 부껍질은 ''n'' + ''l''이 증가하는 순서로 채워진다.

# 두 개의 부껍질이 동일한 ''n'' + ''l'' 값을 가지는 경우, ''n''이 증가하는 순서로 채워진다.

이 규칙은 다음과 같은 궤도함수 채움 순서를 제공한다.

: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p, (8s, 5g, 6f, 7d, 8p, and 9s)

이 목록에서 괄호 안의 부껍질은 현재 알려진 가장 무거운 원자 (Og, ''Z'' = 118)의 바닥 상태에서 채워지지 않는다.

아우프바우 원리는 핵 물리학 및 핵 화학의 핵 껍질 모형과 같이, 수정된 형태로 양성자 및 중성자에 적용될 수 있다.

7. 주기율표와 전자 배치

블록을 나타내는 전자 배치 표.


주기율표의 형태는 각 원소의 원자 전자 배치와 밀접한 관련이 있다. 예를 들어, 알칼리 토금속의 모든 원소(주기율표의 두 번째 열)는 [E] ''n''s2의 전자 배치를 가지며([E]는 비활성 기체 배치), 화학적 특성에서 주목할 만한 유사성을 보인다. 주기율표 블록 측면에서 주기율표의 주기성은 s, p, d 및 f 부껍질을 채우는 데 필요한 전자 수(2, 6, 10 및 14) 때문이다. 이러한 블록은 주기율표의 직사각형 섹션으로 나타난다. 유일한 예외는 헬륨인데, s 블록 원자임에도 불구하고 화학적 불활성이 외각 전자 껍질이 꽉 차기 때문이며(이 예외를 유지해야 하는지에 대한 논의가 현대 문헌에 있지만) 다른 비활성 기체와 함께 p 블록에 배치된다.

원자가(가장 바깥쪽) 껍질의 전자는 각 원소의 화학적 성질을 크게 결정한다. 전자 배치에 대한 아이디어가 나오기 전 1세기 이상 전에 화학적 성질의 유사성이 언급되었다.

주 양자수 (전자 껍질)방위 양자수자기 양자수궤도명수용 가능한 전자 수
1 (K 껍질)001s2
2 (L 껍질)002s2
10, ±12p6
3 (M 껍질)003s2
10, ±13p6
20, ±1, ±23d10
4 (N 껍질)004s2
10, ±14p6
20, ±1, ±24d10
30, ±1, ±2, ±34f14



각 원소의 물리적·화학적 성질은 주로 바깥쪽 궤도에 전자가 어떻게 채워져 있는지에 따라 결정된다. 예를 들어, 비활성 기체는 최외각 전자가 가득 차 안정된 전자 껍질을 가지고 있기 때문에 원자가 전자에 의한 결합력이 없고, 소위 반 데르 발스 힘만 결합력으로 작용하는 것이 그 성질을 결정한다.

알칼리 금속은 비활성 기체에 전자를 1개 추가한 배치이다. 전자를 1개 내어 비활성 기체와 같은 전자 배치가 되는 것이 중성 상태로 있는 것보다 안정하다. 이 때문에 1가의 양이온이 되기 쉽다. 같은 이유로 알칼리 토금속은 2가의 양이온으로, 할로젠은 1가의 음이온이 되기 쉽다.

최외각 전자(원자가 전자)의 궤도보다 안쪽에 있는 전자는 내각 전자(core electron)라고 불린다.

일반적으로 원자 간의 화학 결합이나 물성에 영향을 주는 경우는 적지만, 비교적 얕은 궤도의 내각 전자(예: 갈륨의 3d 전자)나, 내각 여기와 같은 현상에서는 내각 전자가 중요한 기여를 하는 경우가 있다.

8. 아우프바우 원리의 예외

아우프바우 원리는 원자 궤도의 에너지 순서가 고정되어 있다는 가설에 기반하지만, 이는 근사적인 경우에만 해당한다. 실제로는 원자 궤도 내 전자의 에너지가 다른 모든 전자의 에너지에 영향을 받기 때문에, 다전자 시스템에서는 정확한 계산이 어렵다. (\[\[하트리-폭 방법]]과 같은 수학적 근사법이 있기는 하다).

수소 유사 원자에서는 외부 전자기장이 없을 때 동일 껍질의 s-궤도와 p-궤도가 거의 같은 에너지를 갖지만, 실제 수소 원자에서는 에너지 준위가 핵의 자기장과 양자 전기역학의 램 시프트 효과에 의해 약간 분리된다.

원자 번호가 증가함에 따라 무거운 원소에서는 Madelung 규칙에 대한 예외가 더 많이 나타난다. 이러한 예외는 하트리-폭 방법[20]으로 예측할 수 있는데, 4d 원소에서 가장 두드러지게 나타난다. 이는 4d-5s 간격이 3d-4s 및 5d-6s 간격보다 크기 때문이다.[21]

무거운 원소에서는 특수 상대성 이론의 영향[22]도 고려해야 한다. 내부 껍질 전자가 광속에 가까운 속도로 움직이면서 s-궤도의 에너지가 감소하는 경향이 있다.[23] 로렌슘(Lr)을 제외한 6d 원소에서 Madelung 규칙 예외가 없는 것은 상대론적 효과로 인해 p1/2 궤도가 안정화되어 기저 상태에서 전자가 채워지기 때문이다. 상대론은 7s 궤도를 6d 궤도보다 에너지적으로 낮게 만든다.

원소의 전자 배치 (데이터 페이지)에서 기저 상태 전자 배치를 확인할 수 있다. 칼슘 원자는 4s가 3d보다 에너지가 낮지만, Ca2+ 양이온은 3d가 4s보다 에너지가 낮다. Madelung 규칙에 의해 예측된 배치는 이러한 특이한 경우에도 기저 상태에 가깝다.[24] 란타넘, 악티늄, 토륨의 빈 f 궤도는 화학 결합에 기여하며,[25][26] 전이 금속의 빈 p 궤도도 마찬가지이다.[27]

비어 있는 s, d, f 궤도는 채우기 순서를 강조하고, 기저 상태에서 비어 있는 궤도(예: 란타넘의 4f 또는 팔라듐의 5s)도 화학 결합에서 채워질 수 있음을 명확히 하기 위해 명시적으로 표시하기도 한다.[28] (이는 p-궤도에도 적용되지만, 기체 상태에서 로렌슘에서만 실제로 채워지기 때문에 명시적으로 표시되지 않는다.)

아래 표는 f-블록(녹색)과 d-블록(파란색) 원자들의 전자 배치를 나타낸다. 분광학적으로 결정된 궤도 에너지 순서와는 다를 수 있다. 예를 들어, 전이 금속에서 4s 궤도는 3d 궤도보다 에너지가 높고, 란타넘족에서는 6s가 4f 및 5d보다 높다.

Madelung 규칙 위반으로 채워진 전자 껍질[29] (빨간색)
원소 109–112에 대한 예측[33]
주기 4 주기 5 주기 6 주기 7
원소Z전자 배치 원소Z전자 배치 원소Z전자 배치 원소Z전자 배치
    란타넘57[Xe] 6s2 4f0 5d1 악티늄89[Rn] 7s2 5f0 6d1
    세륨58[Xe] 6s2 4f1 5d1 토륨90[Rn] 7s2 5f0 6d2
    프라세오디뮴59[Xe] 6s2 4f3 5d0 프로트악티늄91[Rn] 7s2 5f2 6d1
    네오디뮴60[Xe] 6s2 4f4 5d0 우라늄92[Rn] 7s2 5f3 6d1
    프로메튬61[Xe] 6s2 4f5 5d0 넵투늄93[Rn] 7s2 5f4 6d1
    사마륨62[Xe] 6s2 4f6 5d0 플루토늄94[Rn] 7s2 5f6 6d0
    유로퓸63[Xe] 6s2 4f7 5d0 아메리슘95[Rn] 7s2 5f7 6d0
    가돌리늄64[Xe] 6s2 4f7 5d1 큐륨96[Rn] 7s2 5f7 6d1
    터븀65[Xe] 6s2 4f9 5d0 버클륨97[Rn] 7s2 5f9 6d0
    디스프로슘66[Xe] 6s2 4f10 5d0 캘리포늄98[Rn] 7s2 5f10 6d0
    홀뮴67[Xe] 6s2 4f11 5d0 아인슈타이늄99[Rn] 7s2 5f11 6d0
    에르븀68[Xe] 6s2 4f12 5d0 페르미움100[Rn] 7s2 5f12 6d0
    툴륨69[Xe] 6s2 4f13 5d0 멘델레븀101[Rn] 7s2 5f13 6d0
    이터븀70[Xe] 6s2 4f14 5d0 노벨륨102[Rn] 7s2 5f14 6d0
스칸듐21[Ar] 4s2 3d1 이트륨39[Kr] 5s2 4d1 루테튬71[Xe] 6s2 4f14 5d1 로렌슘103[Rn] 7s2 5f14 6d0 7p1
티타늄22[Ar] 4s2 3d2 지르코늄40[Kr] 5s2 4d2 하프늄72[Xe] 6s2 4f14 5d2 러더포듐104[Rn] 7s2 5f14 6d2
바나듐23[Ar] 4s2 3d3 니오브41[Kr] 5s1 4d4 탄탈럼73[Xe] 6s2 4f14 5d3 두브늄105[Rn] 7s2 5f14 6d3
크롬24[Ar] 4s1 3d5 몰리브데넘42[Kr] 5s1 4d5 텅스텐74[Xe] 6s2 4f14 5d4 시보르기움106[Rn] 7s2 5f14 6d4
망가니즈25[Ar] 4s2 3d5 테크네튬43[Kr] 5s2 4d5 레늄75[Xe] 6s2 4f14 5d5 보륨107[Rn] 7s2 5f14 6d5
철26[Ar] 4s2 3d6 루테늄44[Kr] 5s1 4d7 오스뮴76[Xe] 6s2 4f14 5d6 하슘108[Rn] 7s2 5f14 6d6
코발트27[Ar] 4s2 3d7 로듐45[Kr] 5s1 4d8 이리듐77[Xe] 6s2 4f14 5d7 마이트너륨109[Rn] 7s2 5f14 6d7
니켈28[Ar] 4s2 3d8 또는
[Ar] 4s1 3d9 (논쟁의 여지 있음)[30]		 팔라듐46[Kr] 5s0 4d10 백금78[Xe] 6s1 4f14 5d9 다름슈타튬110[Rn] 7s2 5f14 6d8
구리29[Ar] 4s1 3d10 은47[Kr] 5s1 4d10 금79[Xe] 6s1 4f14 5d10 뢴트게늄111[Rn] 7s2 5f14 6d9
아연30[Ar] 4s2 3d10 카드뮴48[Kr] 5s2 4d10 수은80[Xe] 6s2 4f14 5d10 코페르니슘112[Rn] 7s2 5f14 6d10



네오디뮴은 일반적으로 +3 산화 상태를 형성하는데, 이는 단순하게 해석하면 6s 전자를 잃는 것과 관련된 더 안정적인 +2 산화 상태를 암시함에도 불구하고 그렇다. 반대로, 우라늄 역시 +3 산화 상태에서 그다지 안정적이지 않으며, +4 및 +6을 선호한다.[31]

하슘 이후 원소의 전자 껍질 구성은 아직 실험적으로 검증되지 않았지만, 원소 120까지 예외 없이 Madelung 규칙을 따를 것으로 예상된다. 원소 121은 p 전자를 갖기 때문에 8s2 5g0 6f0 7d0 8p1 의 이상 배치를 가져야 한다. 이 이후의 전자 배치는 잠정적이며 모델 간에 예측이 다르지만,[32] Madelung 규칙은 5g, 6f, 7d 및 8p1/2 궤도의 에너지 근접성으로 인해 무너질 것으로 예상된다.[33] 즉, 8s, 5g, 6f, 7d, 8p의 채우기 순서는 8p 및 9p 껍질의 거대한 스핀-궤도 분할과 9s 껍질의 거대한 상대론적 안정화로 인한 섭동과 함께 대략적으로 유지될 것으로 예측된다.[34]

8. 1. 전이 금속의 이온화

전이 금속에서 이온이 형성될 때, 4s 전자가 3d 전자보다 먼저 제거되는 현상은 겉보기에는 역설적으로 보인다. 이는 원자 오비탈의 에너지 순서가 고정되어 있지 않고, 핵 전하와 다른 전자의 존재에 영향을 받기 때문이다. 중성 원자에서는 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, ... 순서로 전자가 채워지지만, 이온화될 때는 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d, 4s, ... 순서로 전자가 제거된다.

예를 들어, 철(Fe)은 크롬(Cr)보다 핵에 두 개의 양성자가 더 많아 화학적 성질이 매우 다르므로, Fe 이온이 크롬 원자와 같은 전자 배치를 가질 이유는 없다. 멜로즈와 에릭 세리는 하트리-폭 방법의 두 전자 반발 적분을 사용하여 오비탈 점유와 함께 오비탈 에너지의 변화를 분석했다. 최근 세리는 이전 연구들과 달리 3d 오비탈이 4s 오비탈보다 실제로 우선적으로 점유된다고 주장했다.

화학 환경에 따라 구성은 더욱 변화할 수 있다. 예를 들어, Th3+ 이온은 베어 이온일 때 [Rn] 5f1 구성을 갖지만, 대부분의 ThIII 화합물에서는 6d1 구성을 갖는다. 대부분의 경우, 다양한 구성이 중첩되어 나타난다. 예를 들어, 구리 금속은 [Ar] 3d10 4s1 또는 [Ar] 3d9 4s2 구성으로만 설명되지 않고, 두 구성의 기여를 통해 설명된다.

결정장 이론에 따르면, 전이 금속 착물에서도 유사한 이온과 같은 3d''x'' 4s0 구성이 나타난다. 예를 들어, 크롬 헥사카르보닐은 여섯 개의 일산화 탄소 리간드에 둘러싸인 크롬 원자로 설명할 수 있으며, 중심 크롬 원자의 전자 배치는 3d6이다. 그러나 분자 궤도 이론을 사용하면, 이 여섯 개의 전자가 점유하는 d 오비탈은 자유 원자의 d 오비탈과 동일하지 않다.

9. 열린 껍질과 닫힌 껍질

열린 껍질은 전자로 완전히 채워지지 않았거나, 화학 반응에서 다른 원자 또는 분자와의 화학 결합을 통해 모든 최외각 전자를 내어주지 않은 최외각 전자 껍질을 말한다. 반대로 닫힌 껍질은 최외각 전자 껍질이 완전히 채워졌을 때 얻어진다. 이러한 배치는 매우 안정적이다.[35]

분자에서 "열린 껍질"은 짝짓지 않은 전자가 있다는 것을 의미한다. 분자 궤도 함수 이론에서, 이것은 단일 점유된 분자 궤도 함수로 이어진다. 전산 화학에서 분자 궤도 함수 이론을 구현할 때, 열린 껍질 분자는 제한된 열린 껍질 하트리-폭 방법 또는 비제한 하트리-폭 방법을 사용하여 처리해야 한다. 반대로 닫힌 껍질 배치는 모든 분자 궤도 함수가 이중 점유되거나 비어 있는 상태(singlet state)에 해당한다.[36] 열린 껍질 분자는 전산적으로 연구하기가 더 어렵다.[37]

10. 비활성 기체 전자 배치

헬륨족 원소 (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn)는 이미 헬륨족 원소 전자 배치를 가지고 있기 때문에 다른 화학 원소보다 덜 반응성을 띈다. 오가네손은 무거운 원자에 대한 상대론적 양자 화학의 영향으로 인해 더 반응성이 있을 것으로 예측된다.

주기원소전자 배치
1He1s2
2Ne1s22s2 2p6
3Ar1s22s2 2p63s2 3p6
4Kr1s22s2 2p63s2 3p64s2 3d10 4p6
5Xe1s22s2 2p63s2 3p64s2 3d10 4p65s2 4d10 5p6
6Rn1s22s2 2p63s2 3p64s2 3d10 4p65s2 4d10 5p66s2 4f14 5d10 6p6
7Og1s22s2 2p63s2 3p64s2 3d10 4p65s2 4d10 5p66s2 4f14 5d10 6p67s2 5f14 6d10 7p6



화학 원소는 가장 가까운 헬륨족 원소와 유사한 안정적인 전자 배치를 얻기 위해 화학 반응에 참여하는데, 이는 모든 시스템이 안정 상태 또는 최소 에너지 상태를 얻으려는 경향이 있기 때문이다. 예를 들어 수소 (H) 원자 2개와 산소 (O) 원자 1개가 반응하여 물 (H2O)을 형성하는 경우가 있다. 중성의 수소 원자는 원자가 전자에 전자가 1개 있으며, 물을 형성할 때 산소에서 오는 전자를 공유하여 원자가 껍질에 전자가 2개인 헬륨 (He)과 유사한 배치를 얻는다. 중성 산소 원자는 원자가 껍질에 전자가 6개 있으며, 수소 원자 2개에서 전자를 공유하여 원자가 껍질에 전자가 8개인 네온과 유사한 배치를 얻는다.

각 원소의 물리적·화학적 성질은 주로 바깥쪽 궤도에 전자가 어떻게 채워져 있는지에 따라 결정된다. 비활성 기체는 최외각 전자가 가득 차 안정된 전자 껍질을 가지고 있기 때문에 원자가 전자에 의한 결합력이 없고, 반 데르 발스 힘만 결합력으로 작용한다.

알칼리 금속은 비활성 기체에 전자를 1개 추가한 배치이다. 전자를 1개 내어 비활성 기체와 같은 전자 배치가 되는 것이 중성 상태로 있는 것보다 안정하므로 1가의 양이온이 되기 쉽다. 알칼리 토금속은 2가의 양이온, 할로젠은 1가의 음이온이 되기 쉬운 것도 같은 이유이다.

11. 분자, 고체 내 전자 배치

분자 내 전자 배치는 각 분자가 서로 다른 분자 궤도 함수 구조를 가지므로 원자의 전자 배치보다 더 복잡하다. 분자 궤도 함수는 원자 궤도 함수 레이블 대신 대칭에 따라 레이블이 지정된다.[38][39]

고체에서 전자 상태는 매우 많아진다. 이들은 더 이상 개별적인 상태가 아니며, 실제로 가능한 상태의 연속적인 범위로 섞이게 (전자 띠) 된다. 전자 배치의 개념은 더 이상 관련이 없어지고, 띠 이론에 자리를 내주게 된다.

11. 1. 분자 내 전자 배치

각 분자가 서로 다른 분자 궤도 함수 구조를 가지므로 분자 내 전자 배치는 원자의 전자 배치보다 더 복잡하다. 분자 궤도 함수는 원자 및 단원자 이온에 사용되는 원자 궤도 함수 레이블 대신 대칭에 따라 레이블이 지정된다.[38][39] 따라서 이산소 분자 O2의 전자 배치는 1σg2 1σu2 2σg2 2σu2 3σg2 1πu4 1πg2[38][39] 또는 이와 동등하게 1σg2 1σu2 2σg2 2σu2 1πu4 3σg2 1πg2이다.[1] 1πg2라는 용어는 두 개의 축퇴된 에너지 준위 π*-궤도 함수(반결합 분자 궤도 함수)에 있는 두 개의 전자를 나타낸다. 훈트 규칙에 따르면, 이 전자들은 바닥 상태에서 평행한 전자 자기 모멘트를 가지므로, 이산소는 순 자기 모멘트를 갖는다(즉, 상자성이다). 이산소의 상자성을 설명한 것은 분자 궤도 함수 이론의 주요 성공 중 하나였다.

다원자 분자의 전자 배치는 진동 결합을 통해 광자의 흡수 또는 방출 없이 변경될 수 있다.

11. 2. 고체 내 전자 배치

고체에서 전자 상태는 매우 많아진다. 이들은 더 이상 개별적인 상태가 아니며, 실제로 가능한 상태의 연속적인 범위로 섞이게 된다 (전자 띠). 전자 배치의 개념은 더 이상 관련이 없어지고, 띠 이론에 자리를 내주게 된다.

참조

[1] GoldBook configuration (electronic)
[2] GoldBook Pauli exclusion principle
[3] 서적 Descriptive Inorganic Chemistry Macmillan Education
[4] 웹사이트 Electron Orbital http://scienceworld.[...]
[5] 서적 General Chemistry https://books.google[...] 2007-01-12
[6] 학술지 The Arrangement of Electrons in Atoms and Molecules https://zenodo.org/r[...] 1919-06
[7] 학술지 Über die Anwendung der Quantumtheorie auf den Atombau. I
[8] 학술지 Die Valenz und das periodische System. Versuch einer Theorie der Molekularverbindungen https://zenodo.org/r[...]
[9] 학술지 The distribution of electrons among atomic levels
[10] 학술지 Über den Einfluss der Geschwindigkeitsabhändigkeit der elektronmasse auf den Zeemaneffekt
[11] 서적 Mathematische Hilfsmittel des Physikers Springer
[12] GoldBook aufbau principle
[13] 학술지 Theoretical justification of Madelung's rule
[14] 학술지 Five ideas in chemical education that must die 2019
[15] 학술지 Why the 4s Orbital is Occupied before the 3d
[16] 잡지 The trouble with the aufbau principle https://eic.rsc.org/[...] Royal Society of Chemistry 2013-11-07
[17] 학술지 Synthesis, structure, and reactivity of crystalline molecular complexes of the {[C5H3(SiMe3)2]3Th}1− anion containing thorium in the formal +2 oxidation state
[18] 서적 The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements https://web.archive.[...] Springer 2006
[19] 학술지 The Chemical Bond Across the Periodic Table: Part 1 – First Row and Simple Metals https://web.archive.[...]
[20] 학술지 Configuration irregularities: deviations from the Madelung rule and inversion of orbital energy levels
[21] 웹사이트 Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева http://www.primefan.[...] 2004
[22] GoldBook relativistic effects
[23] 학술지 Relativistic effects in structural chemistry
[24] 웹사이트 NIST tables https://physics.nist[...]
[25] 학술지 Ground-state properties of f band metals: lanthanum, cerium and thorium 1978
[26] 학술지 On structure and bonding of lanthanoid trifluorides LnF3 (Ln = La to Lu) 2013
[27] 웹사이트 Example for platinum https://pubs.rsc.org[...]
[28] 웹사이트 this Russian periodic table poster http://www.primefan.[...]
[29] 서적 Inorganic Chemistry Prentice-Hall
[30] 서적 The periodic table: its story and its significance https://archive.org/[...] Oxford University Press
[31] 서적 Handbook on the Physics and Chemistry of Rare Earths 1988
[32] 학술지 Electronic Configurations of Superheavy Elements https://journals.jps[...] 1996
[33] 서적 The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements Springer Science+Business Media
[34] 학회 Is the Periodic Table all right ("PT OK")? https://www.epj-conf[...] 2016
[35] 웹사이트 Periodic table https://web.archive.[...]
[36] 웹사이트 Chapter 11. Configuration Interaction http://www.semichem.[...]
[37] 웹사이트 Laboratory for Theoretical Studies of Electronic Structure and Spectroscopy of Open-Shell and Electronically Excited Species – iOpenShell http://iopenshell.us[...]
[38] 서적 Quantum Chemistry Prentice Hall
[39] 서적 Inorganic Chemistry Prentice Hall


본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.

문의하기 : help@durumis.com